淀粉合成酶：葡萄糖聚合体的催化和延长作用

2023-06-20 理论教育版权反馈

【摘要】：淀粉合成酶是以腺苷二磷酸葡萄糖作为供体，是葡萄糖聚合体通过糖基转移而催化α-1，4糖苷键，起到延长作用。这说明SSSI主要负责支链淀粉B1和A链的合成，且SSSI是B1链的延伸酶。因此，单一SSS同工酶的缺失不会使淀粉合成终止，但能改变支链淀粉的分子结构和淀粉粒形态。淀粉合成酶的活性受温度影响，直链淀粉和支链淀粉在水稻灌浆过程中几乎是同步积累的。

淀粉合成酶是以腺苷二磷酸葡萄糖（ADPG）作为供体，是葡萄糖聚合体通过糖基（glycosyl）转移而催化α-1，4糖苷键，起到延长作用。淀粉合成酶可分为颗粒结合型淀粉合成酶（GBSS）和可溶性淀粉合成酶（SSS），前者合成直链淀粉，后者合成支链淀粉。

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图3-5　水稻淀粉生物合成相关酶3D结构

A：水稻AGPP的最小分子动力学结构。蓝色的a链-LS；绿色的c链-LS；蓝绿色的b链-SS；红色的d链-SS。
B：水稻GBSSI的同源模型。蓝色为α螺旋，棕色为β片层，橙色为无规则卷曲。
C：日本晴和93-11的SSI三维结构。蓝色-淀粉合酶催化区域；黄色-葡萄糖转移酶区域。
D：水稻SBEI结构。紫色为NG末端，淡蓝色为CBM48区域，蓝绿色为α淀粉酶区域，橙色为CG末端。

颗粒结合淀粉合成酶（Granule Binding Starch Synthase，GBSS）又称为ADP-Glu-淀粉葡萄糖基转移酶（ADP-glucose-starch glucosyl-transferase），是直链淀粉合成过程中起主要作用的酶，由蜡质基因（Waxy，Wx）编码，包裹于淀粉粒中，而游离的GBSS基本丧失了淀粉合成酶的活性。据Takeda和Hizukuri（1987年）报道，与正常野生型水稻相比，缺失 GBSS的水稻胚乳中不含直链淀粉。Wx基因剂量不同，GBSS活性差异明显。利用转反义Wx基因粳稻和籼稻为研究材料，发现当Wx蛋白缺失时，颖果的生理活性最终使千粒重下降。Flipse（1996年）研究表明，野生型的直链淀粉含量是有限的，直链淀粉含量与GBSS在一定范围内呈正相关，但GBSS活性一旦超过了一定值就没有这种线性关系了。谷类作物马铃薯和衣原藻缺失GBSS突变体产生的支链淀粉，与野生型不同。例如，水稻不含直链淀粉突变体中，就缺乏野生型水稻胚乳中所含有的一部分分支点距离很长的支链淀粉。衣原藻SATZ位点的突变体，缺失颗粒性结合淀粉合成酶的活性，也缺失一部分有很长链的支链淀粉。同时，GBSS在游离的淀粉粒中可以使支链淀粉的链延长。这两个现象说明了植物体GBSS不仅涉及直链淀粉的合成，而且还与分离的淀粉颗粒中支链淀粉分支的延长有关（Denyer et al.，2010），但GBSS在正常淀粉粒支链淀粉的延长中的确切作用尚不清楚。

GBSS包括GBSSI和GBSSII。其中，GBSSI是研究最多的一类淀粉合成酶，我们常提到的Waxy蛋白就是这类酶，它广泛存在于各种植物中，只在贮藏组织中表达，主要负责直链淀粉的合成。GBSSII有游离和附着于颗粒两种存在方式，在叶片和其他非贮藏组织中都有表达，GBSSII蛋白分子量比Waxy蛋白大，为70～100 kDa，有1个额外的N末端区域，并以3个连续的脯氨酸结尾。在功能上，GBSSII与支链淀粉的亲和性更高，主要参与支链淀粉的合成。将水稻GBSSII的氨基酸序列提交到 SWISS Model Server，进行3D结构预测，发现水稻GBSSII结构具有β片层、α螺旋和无规则卷曲；α螺旋可能负责物质运输和酶活性，而β片层可能负责酶亚细胞定位（图3-5B）。

可溶性淀粉合成酶（Soluble Starch Synthase，SSS），主要存在于质体的基质中，同淀粉分支酶和脱分支酶一起参与支链淀粉的合成。SSS是一大类淀粉合成酶，包括除 GBSS以外的所有淀粉合成酶，根据其氨基酸序列可分为 SSSI、SSSII、SSSIII和SSSIV 4个亚族（Dian et al.，2005；Fujita et al.，2007）。SSS有8个同工型，SSSI、SSSIIa、SSSIIb、SSSIIc、SSSIIIa、SSSIIIb、SSSIIIc、SSSIVa和SSSIVb。有关这些同工酶在淀粉合成中的作用研究，都是来源于缺失某一同工型的突变体或转基因植物。每种同工型SSS在支链淀粉合成中发挥着特定的作用，对底物的亲和和催化有长度特异性，如SSSI与支链淀粉B1链相关性最大，其次是A链，与直链淀粉及B4链相关最小。这说明SSSI主要负责支链淀粉B1和A链的合成，且SSSI是B1链的延伸酶。SSSII为支链淀粉晶体构建所必需，它负责支链淀粉分支簇的主要成分——中等长度葡聚糖链的合成，对分支簇内短链（A和B1链）的延伸、B2和B3链合成起明显作用，促进晶体层的形成，影响淀粉的晶体模式，而SSSIII更倾向于合成B1和B2链。因此，单一SSS同工酶的缺失不会使淀粉合成终止，但能改变支链淀粉的分子结构和淀粉粒形态。据研究发现，水稻ae突变体中SSSI活性比野生型显著降低，从而导致了支链淀粉短链的显著减少。

利用离子交换色谱分析发现，从灌浆期水稻胚乳中提取的可溶性淀粉合酶，存在SSSI和SSSIII两个主要的峰，说明SSSI和SSSIII为胚乳中主要的SSS酶，且SSSI活性显著高于SSSIII，约占总SSS活性的70%，这一结果在小麦和玉米胚乳中也得到了证实。Takemoto-Kuno 等（2006年）发现，SSSI活性在籼稻和粳稻品种中有显著差异，Native-PAGE揭示籼稻品种Kasalath中SSSI的活性只有粳稻品种日本晴的1/6，甚至更少。Chen和Bao（2016年）利用Native-PAGE研究发现，SSSI在不同水稻品种中具有酶谱多态性，且SSSI酶谱多态性可能由于氨基酸K438替换为氨基酸E438所导致；对预测的日本晴和93-11的3D结构分析发现，这一突变位点不位于酶的催化区域（黄色和蓝色区域），但是与氨基酸残基结合区位于同一平面（图3-5C）。

淀粉合成酶的活性受温度影响，直链淀粉和支链淀粉在水稻灌浆过程中几乎是同步积累的。淀粉合成酶在不同时间活性也不一样，可溶性淀粉合成酶的活性在水稻籽粒灌浆初期的活性最高。还有研究表明，水稻SSS各同工型基因对花后高温胁迫的响应表达模式明显不同，呈上调模式的基因有SSSIIb、SSSIIc、SSSIIIb、SSSIVa，SSSIIa和SSSIIIa呈下调表达模式。水稻中SSS基因在胚乳中表达的主要形式是SSSI和SSSIIIa，而其他6种同工型基因相对表达量均较低；水稻胚乳中SSSIIb、SSSIIIa和SSSIVa等相对于其他同工型基因相比，对高温胁迫的响应表达更敏感。不同SSS酶活性表达需要的条件不同，有的是需要外源引物；有的只要在高浓度的盐条件下（如柠檬酸钠），不需要任何外源引物就可催化葡聚糖的合成。

淀粉合成酶：葡萄糖聚合体的催化和延长作用

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